Способ термической обработки прямошовных электросварных труб

 

Изобретение относится к трубной промышленности и может быть использовано при термической обработке труб, сваренных токами высокой частоты. Целью изобретения является устранение возникающей при нагреве неравнопрочности между металлом трубы и металлом зоны отпуска, повышение качества трубы. Для этого производят локальный нагрев до температуры выше Ac₃ технологической зоны сварного соединения, равной четырем толщинам стенки трубы, а также нагрев секторов трубы на ширину ± 100°C от оси шва до 650 - 700°С и последующее охлаждение на воздухе, при этом зону нагрева до температуры выше Ac₃ увеличивают за пределы технологической зоны на дополнительную величину, пропорциональную уменьшению толщины труб, а между операциями нагрева сварного соединения и его охлаждения на воздухе вводят дополнительную операцию - охлаждение в паровой среде до температуры не более 650°С по наружной поверхности. 1 табл.

Изобретение относится к трубной промышленности и может быть использовано при термообработке труб, сваренных токами высокой частоты.

Известен способ термической обработки сварных изделий, в том числе и сварных труб, включающий локальный нагрев сварного соединения с целью его первичной перекристаллизации (Автоматическая сварка, 1966, N 1, с. 13-14).

Указанный способ не позволяет получить высокие механические свойства сварного соединения и гарантировать его качество из-за потери металлом пластичности и возникновения высокого уровня напряжения, что приводит к образованию в зоне термического влияния трещин при испытании на сплющивание и гидроиспытании.

Это объясняется наличием химической неоднородности в металле, которая при сварке и термообработке даже в условиях охлаждения на воздухе обуславливает образование в этой зоне мартенситно-бейнитной структуры с пониженной пластич- ностью и ударной вязкостью.

Известны также способы термообработки труб, в которых эти недостатки ликвидируются последующим отпуском трубы [1-3] Однако приведенные способы предусматривают объемную термообработку труб, что сопряжено с дополнительными энергозатратами и низкой производительностью. Это объясняется последовательным проведением операции локальной термообработки сварного соединения и объемной термообработки труб.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ термообработки, заключающийся в нормализации сварного соединения и околошовной зоны с одновременным отпуском секторов труб, лежащих по обе стороны от шва в пределах ±100^о [4] Недостаток способа заключается в том, что нагреву подвергается практически 1/3 часть трубы ( ±100^о от оси шва), что приводит к снижению механических свойств трубы в зоне отпуска, неравнопрочности между основным металлом трубы и металлом в зоне отпуска, а также к повышенному расходу электроэнергии для нагрева участка трубы заданной ширины и снижением производительности, связанным с необходимостью нагрева участка трубы по заданной ширине. Кроме того, мартенситно-бейнитная структура в зоне нагрева, равная 4S, сохраняется.

Техническим результатом изобретения является устранение неравнопрочности между металлом трубы и металлом зоны отпуска, а также повышение качества труб.

Предлагаемое техническое решение позволяет за счет расширения зоны нагрева, в зависимости от толщины стенки трубы, а также за счет использования водовоздушной среды в начальный момент охлаждения избежать образования структур мартенсита и верхнего бейнита, обеспечив этим самым оптимальные значения прочности и пластичности сварного шва.

Объясняется это тем, что предложенные приемы позволяют снизить скорость охлаждения за счет теплообмена в металле и поддержать ее на таком уровне, который позволяет получить взамен структур мартенсито-бейнитных ферритно-перлитную или промежуточную (в зависимости от расхода пара) структуры с более высокой пластичностью.

Для определения исходной величины h проводится сварка контрольных образцов из металла данной плавки с шириной зоны нагрева, подсчитанной по указанной формуле, где h изначально ширина зоны нагрева (28 мм для стана ТЭСА 140-245). Если контрольные образцы не выдерживают испытания на сплющивание, то из них готовятся шлифы и уточняется ширина зон с ликвацией. Далее h берется как максимальная ширина присутствующей в сваренном металле ликвационной зоны. Затем по формуле уточняется ширина зоны нагрева и индукторы раздвигаются на нужную ширину.

Способ осуществляется путем нагрева сварного соединения до температуры выше А_с3 по ширине Н h + с осью симметрии по центру шва. Полученное физическое значение ширины Н в зависимости от толщины стенки трубы регулируется путем раздвижки индукционных нагревателей влево-вправо в шахматном порядке от оси с пере- крытием центральной зоны, под которой располагается собственно сварной шов.

По окончании нагрева трубы подают в камеру, оборудованную форсунками для подачи пара на поверхность сварного соединения. При этом наружную поверхность сварного соединения охлаждают в водовоздушной среде до не более 650^оС. После этого трубы передают на воздух для дальнейшего охлаждения.

Конкретный пример осуществления этого способа термической обработки труб приведен на основании промышленных экспериментов, выполненных на действующем оборудовании трубоэлектросварочного агрегата ТЭСА 140-245, установленном на Выксунском металлургическом заводе в цехе по производству электросварных обсадных труб.

Опытная партия труб размером 146 х 7,7 мм из стали 22ГЮ в количестве 620 шт. была выпущена с применением предлагаемого способа. После сварки ТВЧ на ТЭСП 140-245 непрерывная труба подавалась в установку локальной термообработки, включающую пять последовательно расположенных плоских индукторов. При величине постоянной технологической зоны нагрева 28 мм полную ширину зоны нагрева определяли как H 28 + 44 мм.

Исходя из этого 4 и 5 индукторы (по ходу движения трубы) сместили в шахматном порядке относительно осевой линии на 8 мм в каждую сторону, таким образом полную ширину зоны нагрева обеспечили 44 мм. Нагрев осуществлялся до 900^оС. На выходе труб из индукторов установил камеру водовоздушного охлаждения, длина которой 8 мм, количество форсунок 240. Охлаждение труб в указанной камере осуществляли в паровой среде при температуре пара 120-130^оС и давлении 1,5 кгс/см². Температура поверхности шва на выходе из водовоздушной камеры составила 620-630^оС. После этого трубы охлаждали на воздухе.

Затем осуществляли выпуск труб в соответствии с известным способом: ширину зоны нагрева брали равной 4S 30,8 мм до температуры 950-1050^оС, а зону ±100^оС от оси шва нагревали до 650-700^оС. Далее трубу охлаждали на воздухе. Количество труб в этом эксперименте 582 шт. размер труб 168 х 7,3 мм.

После проведения сравнительных экспериментов были проведены исследования для определения прочности сварного шва, испытание труб на сплющивание, а также был осуществлен контроль качества труб гидроиспытанием на прессе с давлением воды 270 кгс/см².

Обобщенные результаты исследований представлены в таблице 1. Из этих результатов следует, что: при требовании ТУ 14-3-1599-89 на сплющивание обсадных труб расстояние между сплющивающими плоскостями трубы не более 109 мм должно обеспечивать отсутствие трещин. Трубы, изготовленные в соответствии с предлагаемым способом производства, выдерживали сплющивание до 100 мм, а на трубах, изготовленных в соответствии с известным способом, трещины появлялись при расстоянии между сплющивающими плоскостями равном 114 мм; исследование прочности сварного шва показало, что прочность сварного шва труб, изготовленных по заявляемому способу, соответствует требованиям ТУ 14-3-1599-89 при этом разбег величины прочности испытанных труб незначительный. Прочность сварного шва труб, изготовленных по известному способу, имеет большой разбег и в ряде случае оказывается ниже требований ТУ; 100% -ный контроль качества труб на гидропрессе показал, что 620 труб, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом, обеспечивают высокую герметич- ность и отбраковка полностью отсутствует. Аналогичный контроль, приведенный для труб, изготовленных известным способом, показал, что 5 труб из 582 были отбракованы.

Высокое качество труб, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом, объясняется тем, что расширение зоны нагрева шва (в приведенном примере 44 мм вместо 28 мм), а также использование в начальный момент охлаждения пара (в приведенном примере температура пара 120-130^оС) позволило вместо резкого охлаждения на воздухе осуществить замедленный процесс охлаждения и тем самым избежать образования трещин. Расширенная зона нагрева при охлаждении шва существенно замедляет процесс отвода тепла от шва в холодный металл труб (теплопередача теплопроводностью), а применение водовоздушной среды в начальный момент охлаждения (температура пара не более 100^оС вместо температуры окружающего воздуха 20-30^оС) существенно уменьшает теплоотдачу конвекцией и излучением.

Все эти факторы в своем взаимодействии и обеспечивают высокое качество электросварных труб и необходимые механические свойства труб (включая их технологические испытания) при выпуске их из углеродистых сталей по согласованным с потребителем техническим условиям.

Формула изобретения

СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРЯМОШОВНЫХ ЭЛЕКТРОСВАРНЫХ ТРУБ, включающий локальный нагрев зоны сварного соединения с осью симметрии по центру шва до температуры выше Ac₃ и последующее охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что предварительно определяют ширину зоны нагрева из математического выражения H h + K / S, где H ширина зоны нагрева, мм;
h постоянная ширина зоны нагрева с учетом особенностей структурного строения металла в зоне термического влияния, мм;
S толщина стенки трубы, мм;
K коэффициент пропорциональности, равный 120 мм²,
а после нагрева до температуры выше Ac₃ охлаждение ведут в паровой среде до температуры не выше 650^oС по наружной поверхности трубы.

РИСУНКИ

Рисунок 1